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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Greifhand, bei der ein Kraftsensor in einen Fingerabschnitt eingebaut ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine elektrisch Hand, bei der ein Fingerabschnitt von einem Stellglied geöffnet und geschlossen wird, damit ein Ziel ergriffen wird, und bei der ein Kraftsensor in den Fingerabschnitt eingebaut ist, damit die Greifkraft erfasst wird.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Grundsätzlich wird ein Roboter dazu verwendet, ein Ziel zu ergreifen und zu befördern, und eine Hand, die so aufgebaut ist, dass das Ziel zwischen mehreren Fingerabschnitten liegt, wird in der Regel dazu verwendet, das Ziel zu ergreifen. Ist die Greifkraft des Fingerabschnitts zu groß, wenn der Fingerabschnitt das Ziel ergreift, so wird das Ziel zerbrochen. Ist die Greifkraft zu klein, so fällt das Ziel bei der Beförderung herunter. Aus diesem Grund besteht Bedarf für eine Hand, bei der die Greifkraft des Fingerabschnitts geeignet eingestellt werden kann, und zwar abhängig vom Gewicht oder der Härte des Ziels.
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Da der Roboter nach dem Abschluss des Handgreifvorgangs eine weitere Operation ausführen muss, beispielsweise einen Beförderungsvorgang, ist ein Beendigungssignal erforderlich, um den Abschluss des Greifvorgangs zu prüfen. Kann das Ziel nicht ergriffen werden, weil das Ziel an einer spezifizierten Position nicht vorhanden ist, so muss der Roboter eine Fehlerbehandlungsprozedur ausführen und den Normalbetrieb unterbrechen. Daher ist ein Fehlersignal erforderlich, das den Status repräsentiert, in dem kein Ziel ergriffen werden konnte.
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In der veröffentlichten
japanischen Patentschrift Nr. 2011-183513 (
JP 2011-183513, A ) ist eine elektrische Greifhand offenbart, die ein Paar Finger umfasst, die von einem Elektromotor geöffnet und geschlossen werden, wobei ein Controller die Greifkraft über den Motorstrom regelt.
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In der veröffentlichten
japanischen Patentschrift Nr. 2011-194523 (
JP 2011-194523, A ) ist eine elektrische Hand offenbart, in der ein direkt wirkendes Glied, das sich auf einer Drehachse bewegt, die von einem Motor angetrieben wird, mit einem Greifglied in einem Verbindungsteil verbunden ist, in dem sich ein elastisches Teil befindet. Ein Motor wird durch das Erfassen der Greifkraft des Greifglieds anhand der Größe der Verschiebung des elastischen Teils geregelt.
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Häufig eingesetzt werden Roboterhände mit einem Luftzylinder. Bei diesen Händen kann die Greifkraft über das Einstellen des Luftdrucks justiert werden. Der Einstellbereich der Greifkraft ist jedoch aufgrund der Struktur des Luftzylinders schmal. Zudem wird in der Regel ein Näherungsschalter verwendet, um festzustellen, ob die Roboterhand das Ziel in normaler Weise ergriffen hat. Für diese Feststellung wird der Näherungsschalter an einer geeigneten Position des Betriebsbereichs der Hand eingebaut. Ob das Ziel normal ergriffen worden ist, wird anhand der Ein/Aus-Signale des Näherungsschalters festgestellt. Für eine derartige Feststellung muss die Position des Näherungsschalters abhängig von der Größe des zu ergreifenden Ziels für jeden Fall eingestellt werden.
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Roboterhände, bei denen anstelle eines Luftzylinders ein Elektromotor verwendet wird, sind bekannt. In diesem Fall wird wie in
JP-A 2011-194523 offenbart die Greifkraft der Roboterhand über das Einstellen des Stroms des Elektromotors eingestellt. Beim Verfahren zum Einstellen der Greifkraft dient die Reibung eines Untersetzungsmechanismus oder eine ähnliche Größe als Last für ein Motordrehmoment. Damit kann die ausgeübte Greifkraft nicht exakt sein, und es kann sein, dass die Greifkraft nicht über einen großen Bereich eingestellt werden kann.
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In der elektrischen Hand, die in
JP-A 2011-194523 offenbart ist, wird wie beschrieben die Greifkraft des Greifglieds aus der Größe der Verschiebung des elastischen Teils erfasst, um die Greifkraft zu regeln. Es ist beschrieben, dass das elastische Teil aus Gummi oder Schaumstoff besteht. Da solche Materialien einen Elastizitätsmodul haben, der sich temperaturabhängig ändert, und einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ist die erfasste Greifkraft nicht exakt.
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Zudem ist weder in
JP-A 2011-183513 noch in
JP-A 2011-194523 die Feststellung beschrieben, ob der Ergreifvorgang des Ziels abgeschlossen wurde und ob der Greifvorgang normal verlaufen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Hand bereitzustellen, die ein Ziel mit einer exakten Greifkraft stabil ergreifen kann, und zwar über einem breiten Greifkraft-Einstellbereich, die feststellen kann, ob ein Zielgreifvorgang beendet oder normal vorgenommen wird, und die das Feststellungsergebnis als Signal ausgibt.
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In der Erfindung befindet sich ein Kraftsensor in einem Fingerabschnitt, der ein Ziel ergreift, damit die Greifkraft über einen breiten Bereich stabil und exakt erfassbar ist. Wird ein Greifbefehl ausgegeben, so erfolgt eine Positions-Rückführregelung anhängig von einem Positions-Erfassungswert, den ein Positionssensor erfasst. Ein Stellglied wird so angesteuert, dass der Fingerabschnitt hin zu einem vorbestimmten Positions-Zielwert bewegt wird. Berührt der Fingerabschnitt das Ziel, so erfasst der Kraftsensor die auf den Fingerabschnitt ausgeübte Kraft. Wird festgestellt, dass der Krafterfassungswert einen vorbestimmten Kraftberührwert überschreitet, so wird von der Positions-Rückführregelung auf eine Kraft-Rückführregelung umgeschaltet. Da in der Kraft-Rückführregelung das Stellglied so angesteuert wird, dass der Krafterfassungswert mit einem vorbestimmten Kraftzielwert übereinstimmt, kann das Ziel mit der exakten Greifkraft ergriffen werden.
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Wird festgestellt, dass der Krafterfassungswert den vorbestimmten Kraftzielwert nach dem Umschalten auf die Kraft-Rückführregelung erreicht, so wird ein Abschlusssignal eingeschaltet, das den Abschluss des Greifvorgangs darstellt. Ist der Kraftzielwert zu gering, so wird der Kraftberührwert ebenfalls klein. Damit lässt sich die Berührfeststellung nur schwer treffen, und ein fehlerhafter Vorgang kann leicht auftreten. Zudem wird bei der Kraft-Rückführregelung eine nachteilige Charakteristik bewirkt, bei der die Antwortgeschwindigkeit extrem verschlechtert wird. In einem solchen Fall kann eine stabile und rasche Greifoperation umgesetzt werden, indem man den Fingerabschnitt mit einer geeigneten Geschwindigkeit gemäß der Positions-Rückführregelung bewegt und den Fingerabschnitt sofort anhält, wenn der Fingerabschnitt das Ziel berührt.
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Der Positions-Zielwert der Positionsregeleinheit wird auf eine Position gesetzt, die eine Anhalteposition des Fingerabschnitts überschreitet, wenn das Ziel ergriffen wird. Wird das Ziel normal ergriffen, so wird der Fingerabschnitt vor dem Positions-Zielwert angehalten. Erreicht der Fingerabschnitt den Positions-Zielwert, den der Greifbefehl vorgibt, so wird festgestellt, dass ein Status vorliegt, in dem das Ziel nicht normal ergriffen wurde, und ein Fehlersignal wird eingeschaltet.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Hand mit einem Kraftsensor bereitgestellt, umfassend:
einen Fingerabschnitt, der eine Anzahl Finger enthält, die dafür konfiguriert sind, dass sie sich zum Ergreifen eines Ziels öffnen und schließen;
ein Stellglied, das den Fingerabschnitt betätigt;
mindestens einen Kraftsensor, der sich in dem Fingerabschnitt befindet und eine Kraft erfasst, die in der Öffnungs- und Schließrichtung der Finger wirkt;
einen Positionssensor, der die Größe einer Bewegung des Fingerabschnitts erfasst;
eine Ansteuereinheit, die das Stellglied ansteuert;
eine Positionsregeleinheit, die eine Positions-Rückführregelung abhängig von einem Positions-Erfassungswert aus dem Positionssensor vornimmt, wenn ein Greifbefehl ausgegeben wird, und einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit ausgibt, damit das Stellglied betätigt wird, wodurch der Fingerabschnitt hin zu einem vorbestimmten Positions-Zielwert bewegt wird;
eine Kraftregeleinheit, die eine Kraft-Rückführregelung abhängig von einem Krafterfassungswert des Kraftsensors vornimmt und einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit ausgibt, damit das Stellglied betätigt wird, wodurch das Stellglied so angesteuert wird, dass der Krafterfassungswert mit einem vorbestimmten Kraftzielwert übereinstimmt;
eine Berührungs-Feststelleinheit, die eine Berührung des Fingerabschnitts mit dem Ziel durch das Erfassen eines Zustands feststellt, in dem der Krafterfassungswert einen vorbestimmten Kraftberührungswert überschreitet; und
eine Regelungs-Umschalteinheit, die den Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit von der Positionsregeleinheit auf die Kraftregeleinheit umschaltet, falls die Berührungs-Feststelleinheit feststellt, dass der Fingerabschnitt das Ziel berührt.
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Da die Kraft-Rückführregelung abhängig von dem Krafterfassungswert erfolgt, den der Kraftsensor erfasst, der sich im Fingerabschnitt befindet, kann die elektrische Hand die Greifkraft in einem breiten Bereich stabil und exakt regeln. Die Positionsregelung wird vorgenommen, bis das Ziel den Fingerabschnitt berührt. Berührt das Ziel den Fingerabschnitt, so wird auf die Kraftregelung umgeschaltet. Dadurch kann die elektrische Hand einen raschen Greifvorgang ausführen.
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Die elektrische Hand kann zudem eine Beendigungsfeststelleinheit enthalten, die feststellt, dass der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht hat, wenn das Stellglied von der Kraftregeleinheit angesteuert wird, und ein Beendigungssignal ausgibt. Da die elektrische Hand ein Beendigungssignal ausgibt, das den Abschluss des Greifvorgangs darstellt, treten bei einem Roboter, an dem die elektrische Hand montiert ist, keine Fehler beim Ergreifen eines Ziels auf, indem der Roboter das Beendigungssignal prüft.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Hand mit einem Kraftsensor bereitgestellt, umfassend:
einen Fingerabschnitt, der eine Anzahl Finger enthält, die dafür konfiguriert sind, dass sie sich zum Ergreifen eines Ziels öffnen und schließen;
ein Stellglied, das den Fingerabschnitt betätigt;
mindestens einen Kraftsensor, der sich in dem Fingerabschnitt befindet und eine Kraft erfasst, die in der Öffnungs- und Schließrichtung der Finger wirkt;
einen Positionssensor, der die Größe einer Bewegung des Fingerabschnitts erfasst;
eine Ansteuereinheit, die das Stellglied ansteuert;
eine Positionsregeleinheit, die eine Positions-Rückführregelung abhängig von einem Positions-Erfassungswert aus dem Positionssensor vornimmt, wenn ein Greifbefehl ausgegeben wird, und einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit ausgibt, damit das Stellglied betätigt wird, wodurch der Fingerabschnitt hin zu einem vorbestimmten Positions-Zielwert bewegt wird;
eine Berührungs-Feststelleinheit, die eine Berührung des Fingerabschnitts mit dem Ziel durch das Erfassen eines Zustands feststellt, in dem der Krafterfassungswert einen vorbestimmten Kraftberührungswert überschreitet; und
eine Berührungs-Beendigungseinheit, die einen Beendigungsbefehl an die Positionsregeleinheit ausgibt, damit die Bewegung des Stellglieds beendet wird, wenn die Berührungs-Feststelleinheit feststellt, dass der Fingerabschnitt das Ziel berührt, und die ein Beendigungssignal ausgibt.
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Da die elektrische Hand einen Zustand erfasst, in dem das Ziel den Fingerabschnitt berührt, und zwar mit dem Krafterfassungswert des Kraftsensors, der sich im Fingerabschnitt befindet, und die Hand den Fingerabschnitt mit der Positionsregelung bewegt, bis das Ziel den Fingerabschnitt berührt, und den Fingerabschnitt anhält, wenn der Berührungszustand erkannt wird, kann der Greifvorgang rasch und stabil umgesetzt werden.
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Die elektrische Hand kann zudem eine Fehlerfeststelleinheit enthalten, die mit der Positionsregeleinheit feststellt, dass das Ziel nicht ergriffen ist, wenn der Fingerabschnitt den Positions-Zielwert erreicht, und ein Fehlersignal ausgibt. Da bei der elektrischen Hand ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn der Greifvorgang nicht normal verläuft, kann der Roboter abhängig vom Fehlersignal eine Fehlerbehandlungsprozedur ausführen und den Normalbetrieb anhalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beschriebenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben und Merkmale gehen aus der Beschreibung der Ausführungsformen mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Es zeigt:
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1 eine Skizze der Anordnung einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Hand mit einem Kraftsensor gemäß der Erfindung;
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2 eine Skizze der Anordnung einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Hand mit einem Kraftsensor gemäß der Erfindung;
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3 eine Skizze eines ersten Beispiels eines Regelsystems, das ein Stellglied der elektrischen Hand mit einem Kraftsensor gemäß der Erfindung regelt, damit ein Fingerabschnitt bewegt wird und sich der Finger öffnet oder schließt;
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4 eine Skizze eines zweiten Beispiels eines Regelsystems, das ein Stellglied der elektrischen Hand mit einem Kraftsensor gemäß der Erfindung regelt, damit ein Fingerabschnitt bewegt wird und sich der Finger öffnet oder schließt;
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5 ein Flussdiagramm eines Regelablaufs des Stellglieds der elektrischen Hand durch das Regelsystem in 3; und
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6 ein Flussdiagramm eines Regelablaufs des Stellglieds der elektrischen Hand durch das Regelsystem in 4.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst wird eine erste Ausführungsform einer elektrischen Hand mit einem Kraftsensor der Erfindung anhand von 1 beschrieben.
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Eine elektrische Hand 1 umfasst zwei Öffnungs- und Schließfinger (einen Finger 14a und einen Finger 14b). Ein Stellglied 11 enthält einen Motor, eine Untersetzung und einen geradlinigen Antriebsmechanismus, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Untersetzung enthält ein Zahnrad oder einen Zahnriemen und dient dazu, die Drehung des Motors auf einen geradlinigen Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) zu übertragen, wobei die Drehzahl verringert wird. Der geradlinige Antriebsmechanismus ist ein Mechanismus, der die Drehung des Motors in eine geradlinige Bewegung umsetzt, und er enthält eine Zahnstange und ein Ritzel, eine Schnecke, eine Mutter, einen Nockenmechanismus und einen geraden Mechanismus.
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Die Finger 14a und 14b führen einen Öffnungs- und Schließvorgang aus, wenn sie vom geradlinigen Antriebsmechanismus bewegt werden, der das Stellglied 11 bildet. Die Grundabschnitte der Finger 14a und 14b sind jeweils mit Kraftsensoren 13a und 13b ausgestattet. D. h., die Finger 14a und 14b sind über die Kraftsensoren 13a und 13b mit dem geradlinigen Antriebsmechanismus verbunden, der das Stellglied 11 bildet. Der Pfeil 15a in 1 zeigt die Bewegungsrichtung des Fingers 14a, und der Pfeil 15b zeigt die Bewegungsrichtung des Fingers 14b. Die Finger 14a und 14b bewegen sich (zum Öffnen und Schließen) in den Richtungen, die die Pfeile 15a und 15b anzeigen, damit das Ziel 3 von beiden Seiten ergriffen wird. Hat das Ziel 3 ein ringförmiges oder ähnlich geformtes Loch, so werden die Finger 14a und 14b in das Loch eingesetzt, damit das Ziel 3 in der Richtung ergriffen wird, in der sich die Finger 14a und 14b öffnen.
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Der Positionssensor 12 ist ein Sensor, der die Größe der Bewegung des Stellglieds 11 erfasst. In der Regel handelt es sich um einen Detektor, der den Drehwinkel des Motors erfasst. Da die Finger 14a und 14b an den Kraftsensoren 13a und 13b angebracht sind, ist es bequem, die Finger 14a und 14b abhängig von der Form des Ziels 3 auszutauschen. Es ist erwünscht, dass die Kraftsensoren 13a und 13b die Funktion haben, die Kraftkomponente auf einer geraden Achse in der Öffnungs- und Schließrichtung zu erfassen. Auf die Grundabschnitte der Finger 14a und 14b wird eine Greifkraft und ein Moment ausgeübt. Das Moment erhält man durch das Multiplizieren der Greifkraft mit dem Abstand von den Grundabschnitten der Finger 14a und 14b zur Greifposition. Unterscheiden sich die Längen der Finger 14a und 14b, so sind die Momente auch bei der gleichen Greifkraft verschieden. Zum Regeln der Greifkraft ist es erforderlich, die Kraftkomponente auf der geraden Achse in der Öffnungs- und Schließrichtung ohne einen Momenteneinfluss zu erfassen.
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Ein Controller 10 regelt die elektrische Hand 1 abhängig von einem Greifbefehl aus einem Robotercontroller (nicht dargestellt) und führt einen Zielergreifungsvorgang aus. Ist der Zielergreifungsvorgang abgeschlossen, so wird an den Robotercontroller ein Greifvorgangs-Beendigungssignal übertragen. Ist der Zielergreifungsvorgang fehlgeschlagen, so wird an den Robotercontroller ein Greifvorgangs-Fehlersignal übertragen. Man beachte, dass der Controller 10 nicht auf die Anordnung beschränkt ist, in der der Controller innerhalb der elektrischen Hand 1 vorhanden ist; er kann auch in den Robotercontroller (nicht dargestellt) eingebaut sein.
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In 1 sind jeweils zwei Finger 14a und 14b mit den Kraftsensoren 13a und 13b versehen. Da jedoch auf die zwei Finger 14a und 14b die gleiche Greifkraft in unterschiedlichen Richtungen ausgeübt wird, kann nur einer der Finger 14a und 14b mit dem Kraftsensor 13a oder 13b ausgestattet sein.
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Es wird nun eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Hand mit einem Kraftsensor gemäß der Erfindung anhand von 2 beschrieben.
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Eine elektrische Hand 2 enthält zwei Finger (einen ersten Finger 26a und einen zweiten Finger 26b). Sowohl der erste Finger 26a als auch der zweite Finger 26b enthalten zwei Gelenke. Der erste Finger 26a enthält ein erstes Gelenk 27a, das sich an seinem Grundabschnitt befindet, und ein zweites Gelenk 28a, das sich an seiner Vorderseite befindet. Der zweite Finger 26b enthält ein erstes Gelenk 27b, das sich an seinem Grundabschnitt befindet, und ein zweites Gelenk 28b, das sich an seiner Vorderseite befindet.
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Das erste Gelenk 27a des ersten Fingers 26a wird von einem ersten Stellglied 21a gedreht. Das zweite Gelenk 28a des ersten Fingers 26a wird von einem zweiten Stellglied 24a gedreht. Das erste Gelenk 27b des zweiten Fingers 26b wird von einem ersten Stellglied 21b gedreht, und das zweite Gelenk 28b des zweiten Fingers 26b wird von einem zweiten Stellglied 24b gedreht. Auf diese Weise werden das erste Gelenk 27a und das zweite Gelenk 28a des ersten Fingers 26a und das erste Gelenk 27b und das zweite Gelenk 28b des zweiten Fingers 26b von dem ersten Stellglied 21a und dem zweiten Stellglied 24a des ersten Fingers 26a und dem ersten Stellglied 21b und dem zweiten Stellglied 24b des zweiten Fingers 26b gedreht, damit das Ziel 3 ergriffen wird und dabei zwischen den Vorderenden des ersten Fingers 26a und des zweiten Fingers 26b liegt, die sich an der elektrischen Hand 2 befinden.
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Das erste Stellglied 21a und das zweite Stellglied 24a des ersten Fingers 26a und das erste Stellglied 21b und das zweite Stellglied 24b des zweiten Fingers 26b enthalten jeweils Positionssensoren (Drehwinkelsensoren 22a, 25a, 22b und 25b), die dafür ausgelegt sind, die Drehlagen der Gelenke zu erfassen.
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Ein erster Kraftsensor 23a befindet sich zwischen dem ersten Gelenk 27a und dem zweiten Gelenk 28a des ersten Fingers 26a. Ein zweiter Kraftsensor 23b befindet sich zwischen dem ersten Gelenk 27b und dem zweiten Gelenk 28b des zweiten Fingers 26b. Der erste Kraftsensor 23a und der zweite Kraftsensor 23b erfassen Momentenkomponenten, die auf die ersten Gelenke 27a und 27b des ersten Fingers 26a und des zweiten Fingers 26b wirken. In diesem Fall kann die Greifkraft am Ziel 3 nicht direkt aus den Ausgaben des ersten Kraftsensors 23a und des zweiten Kraftsensors 23b erfasst werden. Man kann sie durch eine Berechnung aus den Ausgabewerten des ersten Kraftsensors 23a und des zweiten Kraftsensors 23b, der Länge des ersten Fingers 26a und des zweiten Fingers 26b und den Winkeln der ersten Gelenke 27a und 27b und den Winkeln der zweiten Gelenke 28a und 28b erhalten.
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Der Betrieb der elektrischen Hand 2 wird von dem Controller 20 gesteuert. Der Controller 20 veranlasst die elektrische Hand 2, einen Zielergreifungsvorgang gemäß einem Greifbefehl aus dem Robotercontroller (nicht dargestellt) auszuführen. Ist der Zielergreifungsvorgang abgeschlossen, so wird ein Greifbeendigungssignal an den Robotercontroller übertragen. Ist der Zielergreifungsvorgang fehlgeschlagen, so wird ein Fehlersignal an den Robotercontroller übertragen. Man beachte, dass der Controller 20 nicht auf die Anordnung beschränkt ist, in der der Controller innerhalb der elektrischen Hand 2 vorhanden ist; er kann auch in den Robotercontroller eingebaut sein.
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Anhand von 3 wird nun ein erstes Beispiel eines Regelsystems beschrieben, das das Stellglied der elektrischen Hand so regelt, dass ein Fingerabschnitt so bewegt wird, dass sich der Finger öffnet und schließt.
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In 3 umfasst ein Fingerabschnitt 32 die Finger 14a und 14b (1) und die Finger 26a und 26b (2), die das Ziel 3 berühren siehe (1 und 2). Er umfasst zudem einen Mechanismus (beispielsweise eine Zahnstange oder ein Zahnrad), der bewirkt, dass das Stellglied 31 die Finger 14a und 14b bzw. die Finger 26a und 26b bewegt.
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Ein Positionssensor 30 erfasst den Umfang der Bewegung des Fingerabschnitts 32. Ein Kraftsensor 33 ermittelt die Greifkraft, die auf den Fingerabschnitt 32 einwirkt. In das Stellglied 31 ist ein Motor (nicht dargestellt) eingebaut. Der Motor wird von einer Ansteuereinheit 34 angesteuert. Die Ansteuereinheit 34 ist insbesondere ein Verstärker.
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Eine Positionsregeleinheit 37 wird dazu verwendet, eine Befehlsposition zu aktualisieren und eine Positions-Rückführregelung auszuführen. Zum Aktualisieren der Befehlsposition wird eine neue Befehlsposition dadurch berechnet, dass in jeder Einheitsperiode, beispielsweise 4 Millisekunden, eine Bewegungsgröße addiert wird. Erreicht die Befehlsposition eine Zielposition, so wird das Addieren der Bewegungsgröße beendet, d. h. das Addieren der Bewegungsgröße zu der Befehlsposition wird ausgeführt, damit die Befehlsposition mit der Zielposition übereinstimmt. Die Positionsregeleinheit 37 führt eine Positions-Rückführregelung aus, damit die Erfassungsposition des Positionssensors 30 der Befehlsposition folgt, und sie gibt einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit 34 aus, damit die Drehung des in das Stellglied 31 eingebauten Motors geregelt wird.
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Eine Kraftregeleinheit 39 gibt einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit 34 aus, und zwar im Zug einer Kraft-Rückführregelung, damit der Krafterfassungswert dem Kraftzielwert folgt. Dadurch wird die Drehung des in das Stellglied 31 eingebauten Motors (nicht dargestellt) geregelt. Eine Berührungserfassungseinheit 36 überwacht den Krafterfassungswert und stellt fest, dass die Finger des Fingerabschnitts 32 das Ziel berühren, wenn der Krafterfassungswert einen vorbestimmten Kraftberührwert oder mehr annimmt.
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Es kann sein, dass der Lesewert vom Kraftsensor 33 auch dann nicht null ist, wenn keine Kraft auf den Kraftsensor 33 einwirkt. Der Lesewert wird in diesem Fall als Versatz bezeichnet. Ergreifen die Finger des Fingerabschnitts 32 keinen Gegenstand, so wird der Lesewert vom Kraftsensor 33 als Versatz gespeichert. Der Wert, den man dadurch erhält, dass der als Versatz gespeicherte Wert vom Lesewert des Kraftsensors 33 subtrahiert wird, wird als ”Krafterfassungswert” bezeichnet. Damit ist der Krafterfassungswert nicht der Lesewert vom Kraftsensor 33, sondern ein Wert, der die auf den Kraftsensor 33 einwirkende äußere Kraft darstellt.
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Wird festgestellt, dass die Finger des Fingerabschnitts 32 das zu ergreifende Ziel berühren, so schaltet eine Regelungs-Umschalteinheit 35 den Ansteuerbefehl für die Ansteuereinheit 34 von der Positionsregeleinheit 37 auf die Kraftregeleinheit 39 um. Wird in der Kraft-Rückführregelung die Kraftverstärkung der Rückführschleife erhöht, so wird die Regelung leicht instabil. In diesem Fall kann die Kraftverstärkung nicht weiter erhöht werden. Generell wird in der Kraft-Rückführregelung das Stellglied mit einem Geschwindigkeitsbefehl angesteuert, den man durch Multiplizieren der Kraftverstärkung mit der Kraftabweichungsgröße erhält, die man durch Subtrahieren des Krafterfassungswerts vom Kraftzielwert gewinnt. Wird der Motor von der Kraftregeleinheit 39 geregelt, wenn die Finger das zu ergreifende Ziel nicht berühren, so ist die Bewegungsgeschwindigkeit gering, da die Kraftverstärkung klein ist und der Geschwindigkeitsbefehl klein ist. Da zudem die Geschwindigkeit abhängig vom Kraftzielwert ermittelt wird, wird die Bewegungsgeschwindigkeit außerordentlich gering, falls der Kraftzielwert klein ist. Damit besteht der Nachteil, dass viel Zeit erforderlich ist, bis die Finger die Berührposition erreichen.
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Berühren die Finger das zu ergreifende Ziel, so sind die Finger und das zu ergreifende Ziel gebogen, wenn sich die Finger bewegen. Die Biegungsgröße ist proportional zur Greifkraft, und die Greifkraft nimmt generell bei geringen Biegungsgrößen zu. Da die Greifkraft durch eine geringe Drehung des Motors zunimmt, nachdem die Finger das zu ergreifende Ziel berühren (anders formuliert durch eine geringfügige Fingerbewegung), kann der Greifvorgang in kurzer Zeit abgeschlossen werden, indem man über die Kraftregeleinheit 39 veranlasst, dass der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht. Damit ist es außerordentlich vorteilhaft, den Motor mit der Positionsregeleinheit 37 anzusteuern, damit sich die Finger mit großer Geschwindigkeit bewegen, wenn die Finger das zu ergreifende Ziel nicht berühren, und den Motor durch Umschalten auf die Kraftregeleinheit 39 mit der Kraftregeleinheit 39 anzusteuern, wenn festgestellt wird, dass die Finger das zu ergreifende Ziel berühren. Durch diese Verfahren kann der gesamte Greifvorgang in kurzer Zeit rasch ausgeführt werden.
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Die Beendigungsfeststelleinheit 40 stellt über die Kraftregeleinheit 39 fest, ob der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht, und sie schaltet das Greif-Beendigungssignal ein, wenn sie feststellt, dass der Krafterfassungswert das Kraftziel erreicht. Ist der Roboter dafür konfiguriert, sich für den folgenden Vorgang nicht zu bewegen, bevor er dieses Signal erkennt, so kann man verhindern, dass sich der Roboter bewegt, während er das Ziel ergreift, und dadurch das Ziel fallen lässt, oder dass er nach dem Abschluss des Zielergreifungsvorgangs eine gewisse Zeit anhält und dadurch Zeit verschwendet.
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Ist das zu ergreifende Ziel nicht vorhanden, so werden die Finger des Fingerabschnitts 32 in die Zielposition bewegt und in der Zielposition durch die Positionsregeleinheit 37 angehalten. Die Zielposition ist auf eine Position eingestellt, die über die Position hinausgeht, in der das zu ergreifende Ziel ergriffen wird. Wird das zu ergreifende Ziel normal ergriffen, so werden die Finger vor der Zielposition angehalten. Wird jedoch das zu ergreifende Ziel nicht ergriffen, so werden die Finger nach Erreichen der Zielposition angehalten. Die Fehlerfeststelleinheit 38 stellt diesen Status fest und schaltet das Fehlersignal ein, falls das zu ergreifende Ziel nicht normal ergriffen werden kann. Der Roboter kann den Normalbetrieb unterbrechen und eine Fehlerbehandlungsprozedur ausführen, indem er dieses Signal prüft.
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Anhand von 4 wird nun ein zweites Beispiel eines Regelsystems beschrieben, das das Stellglied der elektrischen Hand so regelt, dass der Fingerabschnitt so bewegt wird, dass sich der Finger öffnet und schließt.
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Das in 4 dargestellte Regelsystem unterscheidet sich vom Regelsystem in 3 dadurch, dass keine Kraftregeleinheit 39 vorhanden ist, jedoch zusätzlich eine Berührungs-Beendigungseinheit 59 vorhanden ist.
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Stellt die Berührungs-Feststelleinheit 56 fest, dass die Finger des Fingerabschnitts 52 das zu ergreifende Ziel berühren, so gibt die Berührungs-Beendigungseinheit 59 einen Bewegungs-Schnellstopbefehl an die Positionsregeleinheit 57 aus, und sie schaltet das Greif-Beendigungssignal ein.
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In dem Verfahren zum Umschalten des Ansteuerbefehls für die Ansteuereinheit 34 von der Positionsregeleinheit 37 auf die Kraftregeleinheit 39 dann, wenn das Regelsystem in 3 feststellt, dass die Finger des Fingerabschnitts 32 das zu ergreifende Ziel berühren, wird der Kraftberührwert generell auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist als der Kraftzielwert, beispielsweise auf einen Wert von ungefähr 20 Prozent des Kraftzielwerts. Da zu einem frühen Zeitpunkt von der Positionsregelung auf die Kraftregelung umgeschaltet wird, wird die Antwort der Kraft-Rückführregelung glatt, und die Greifkraft erreicht den Kraftzielwert ohne große Überschwinger. Ist jedoch der Kraftzielwert sehr klein, so wird der Kraftberührwert noch kleiner. Damit kann leicht ein fehlerhafter Betrieb auftreten, in dem fälschlicherweise ein Berührungsstatus festgestellt wird, weil der Krafterfassungswert den Kraftberührwert durch Schwingungen oder Schwankungen in der Erfassung überschreitet. Zudem wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Motors bei der Kraft-Rückführregelung langsam, und damit nimmt die Antwortzeit zu.
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Im Gegensatz dazu ist im Regelsystem nach 4 der Kraftberührwert auf einen Wert nahe am Kraftzielwert gesetzt, damit eine fälschliche Berührungs-Feststelloperation in der Berührungs-Beendigungseinheit 59 verhindert werden kann, und die Positionsregeleinheit 57 kann eine geeignete Geschwindigkeit anweisen. Dieses Verfahren ist dann besonders nützlich, wenn das zu ergreifende Ziel weich ist.
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Es werden nun einige Verfahren zum raschen Anhalten der Bewegung der Finger durch die Berührungs-Beendigungseinheit 59 beschrieben.
- a) Eine Befehlspositionseingabe in die Positions-Rückführregelung wird beendet. Bei diesem Verfahren wird die Größe des Nachlaufens hoch, bis der in das Stellglied 51 eingebaute Motor tatsächlich anhält. Generell führt bei der Positions-Rückführregelung ein Wert, den man durch Multiplizieren einer Positionsverstärkung mit einer Positionsabweichungsgröße erhält, die aus dem Subtrahieren der erfassten Position von der Befehlsposition stammt, zu einer Bewegungsgeschwindigkeit. Wird die Sollpositionseingabe angehalten, so führt die Positionsabweichungsgröße in diesem Augenblick zu einem Nachlaufen.
- b) Die Motoransteuerspannung wird auf null gesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Größe des Nachlaufens, bis der in das Stellglied 51 eingebaute Motor tatsächlich anhält, sehr klein, aber er wird nicht null.
- c) Die Positionsabweichungsgröße wird zuerst auf null gesetzt. Anschließend erfolgt eine normale Positions-Rückführregelung. Da man mit diesem Verfahren den Motor endgültig in der Position anhalten kann, in der die Berührung erkannt wird, tritt kein Nachlaufen auf. Wahlweise wird zuerst eine geeignete Größe des Nachlaufens eingestellt, anstatt die Positionsabweichungsgröße auf null zu setzen. Anschließend erfolgt eine normale Positions-Rückführregelung. Dadurch hält der Motor endgültig in der Position an, die durch das Addieren des Nachlaufens zu der Position entsteht, in der die Berührung erkannt wird. Je geringer die Größe des Nachlaufens bis zum Motorstillstand ist, umso höher ist die Beschleunigung in der Abbremsrichtung. Damit nehmen der Beschleunigungsstoß und die auf das Stellglied ausgeübte Last zu. In der Regel wird ein geeignetes Anhalteverfahren verwendet, das für das Stellglied verträglich ist.
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Der Ablauf der Regelung des Stellglieds der elektrischen Hand durch das Regelsystem in 3 wird nun mit Hilfe des Flussdiagramms in 5 beschrieben.
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Wird der Greifbefehl ausgegeben, so wird in jeder Einheitsperiode eine Größe der Bewegung addiert, damit die Befehlsposition aktualisiert wird. Die Befehlsposition wird in die Positions-Rückführregelung eingegeben. Hat die Befehlsposition die Zielposition noch nicht erreicht, so wird die Befehlsposition aktualisiert, falls der Krafterfassungswert kleiner ist als der Kraftberührwert. Ist der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftberührwert, so wird gefolgert, dass die Finger das zu ergreifende Ziel berühren. Daher wird von der Positions-Rückführregelung auf die Kraft-Rückführregelung umgeschaltet. Bei der Kraftregelung erfolgt die Rückführregelung so, dass dem Kraftzielwert gefolgt und gewartet wird, bis der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht. Erreicht der Krafterfassungswert den Kraftzielwert, so wird das Greif-Beendigungssignal eingeschaltet, und die Verarbeitung als Reaktion auf den Greifbefehl ist beendet. Erreichen die Finger die Zielposition während die Befehlsposition aktualisiert wird, so wird die Öffnungs- und Schließbewegung der Finger angehalten. Es wird festgestellt, dass das zu ergreifende Ziel nicht normal ergriffen wurde. Das Fehlersignal wird eingeschaltet, und die Verarbeitung als Reaktion auf den Greifbefehl wird beendet.
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Die entsprechenden Schritte des Flussdiagramms werden nun im Weiteren beschrieben.
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[Schritt SA01] Es wird festgestellt, ob der Greifbefehl ausgegeben wird. Wird der Greifbefehl ausgegeben (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SA02 über. Wird der Greifbefehl nicht ausgegeben (NEIN), so wartet die Verarbeitung, bis der Greifbefehl ausgegeben wird.
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[Schritt SA02] In jeder Einheitsperiode wird die Größe der Bewegung addiert, damit die Befehlsposition aktualisiert wird. Die aktualisierte Befehlsposition wird in die Positions-Rückführregelung eingegeben.
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[Schritt SA03] Es wird festgestellt, ob die Befehlsposition die Zielposition erreicht hat. Hat die Befehlsposition die Zielposition erreicht (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SA04 über. Hat die Befehlsposition die Zielposition nicht erreicht (NEIN), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SA06 über.
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[Schritt SA04] Die Bewegung des in das Stellglied 31 eingebauten Motors wird angehalten, da davon ausgegangen wird, dass der Motor in diesem Zustand die Befehlsposition erreicht hat, weil das zu ergreifende Ziel nicht vorhanden war. Nun wird die Befehlsposition mit der Zielposition zur Deckung gebracht, und die Positions-Rückführregelung hält den Motor in der Zielposition an.
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[Schritt SA05] Ein Fehlersignal wird eingeschaltet, und die Operation als Reaktion auf den Greifbefehl wird beendet.
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[Schritt SA06] Ist der Krafterfassungswert kleiner als der Kraftberührwert (NEIN), so kehrt die Verarbeitung zum Schritt SA02 zurück und aktualisiert die Befehlsposition, wobei unterstellt wird, dass die Finger das Ziel noch nicht berühren. Wird der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftberührwert (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SA07 über, und es wird unterstellt, dass die Finger das Ziel berühren.
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[Schritt SA07] Von der Positions-Rückführregelung wird auf die Kraft-Rückführregelung umgeschaltet.
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[Schritt SA08] Es wird festgestellt, ob der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht. Hat der Krafterfassungswert den Kraftzielwert erreicht (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SA09 über. Hat der Krafterfassungswert den Kraftzielwert nicht erreicht (NEIN), so wartet die Verarbeitung, bis der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftzielwert wird. Anschließend geht die Verarbeitung auf den Schritt SA09 über.
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[Schritt SA09] Das Beendigungssignal wird eingeschaltet, und die Verarbeitung als Reaktion auf den Greifbefehl ist beendet.
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Der Ablauf der Regelung des Stellglieds der elektrischen Hand durch das Regelsystem in 4 wird nun mit Hilfe des Flussdiagramms in 6 beschrieben.
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Im Flussdiagramm in 5 wird die Regelung auf die Kraft-Rückführregelung umgeschaltet, wenn der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftberührwert wird (SA06). Im Flussdiagramm in 6 wird jedoch die Bewegung des Stellglied-Motors angehalten (SB07), falls der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftberührwert wird (SB06). Dieser Punkt unterscheidet sich vom Flussdiagramm in 5. Da es wie beschrieben mehrere Vorgehensweisen zum Anhalten der Bewegung des Motors gibt, kann man ein geeignetes Verfahren auswählen.
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Die entsprechenden Schritte des Flussdiagramms werden nun im Weiteren beschrieben.
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[Schritt SB01] Es wird festgestellt, ob der Greifbefehl ausgegeben wird. Wird der Greifbefehl ausgegeben (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SB02 über. Wird der Greifbefehl nicht ausgegeben (NEIN), so wartet die Verarbeitung, bis der Greifbefehl ausgegeben wird.
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[Schritt SB02] In jeder Einheitsperiode wird die Größe der Bewegung addiert, damit die Befehlsposition aktualisiert wird. Die aktualisierte Befehlsposition wird in die Positions-Rückführregelung eingegeben.
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[Schritt SB03] Es wird festgestellt, ob die Befehlsposition die Zielposition erreicht hat. Hat die Befehlsposition die Zielposition erreicht (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SB04 über. Hat die Befehlsposition die Zielposition nicht erreicht (NEIN), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SB06 über.
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[Schritt SB04] Die Bewegung des in das Stellglied 51 eingebauten Motors wird angehalten, da davon ausgegangen wird, dass der Motor in diesem Zustand die Befehlsposition erreicht hat, weil das zu ergreifende Ziel nicht vorhanden war. Nun wird die Befehlsposition mit der Zielposition zur Deckung gebracht, und die Positions-Rückführregelung hält den Motor in der Zielposition an.
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[Schritt SB05] Ein Fehlersignal wird eingeschaltet, und die Operation als Reaktion auf den Greifbefehl wird beendet.
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[Schritt SB06] Ist der Krafterfassungswert kleiner als der Kraftberührwert (NEIN), so kehrt die Verarbeitung zum Schritt SB02 zurück und aktualisiert die Befehlsposition, wobei unterstellt wird, dass die Finger das Ziel noch nicht berühren. Wird der Krafterfassungswert größergleich dem Kraftberührwert (JA), so geht die Verarbeitung auf den Schritt SB07 über, und es wird unterstellt, dass die Finger das Ziel berühren.
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[Schritt SB07] Die Ansteuerung des Motors wird beendet.
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[Schritt SB08] Das Beendigungssignal wird eingeschaltet, und die Verarbeitung als Reaktion auf den Greifbefehl ist beendet.
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Die Verarbeitungen der Flussdiagramme in 5 und 6 werden von dem Controller 10 in 1 oder dem Controller 20 in 2 vorgenommen. Die Verarbeitungen in 5 und 6 können dadurch vorgenommen werden, dass die Daten der Zielposition, des Kraftberührwerts und des Kraftzielwerts vorab im Speicher des Controllers 10 oder des Controllers 20 hinterlegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-183513 [0004]
- JP 2011-183513 A [0004, 0009]
- JP 2011-194523 [0005]
- JP 2011-194523 A [0005, 0007, 0008, 0009]
